DE3214051A1

DE3214051A1 - Spektralfluorometer

Info

Publication number: DE3214051A1
Application number: DE19823214051
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.rer.nat. DDR-1185 Altglienicke Lucht; Reiner Dipl.-Phys. DDR-1199 Berlin Wendt
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1982-04-16
Publication date: 1983-01-05
Also published as: US4461573A; GB2101738A; DD159566A1; JPS5837545A; GB2101738B

Description

Spektralfluorometer

Die Erfindung bezieht sich, auf die Messung von Lumineszenz für die qualitative und quantiative Angabe von Stoffen.

Lumineszenzmessungen sind für die Untersuchungen fotophysikalischer und fotochemischer Eigenschaften elektronisch angeregter Atome und Moleküle besonders bei kleinen Konzentrationen geeignet. Zur Messung der Lumineszenz werden Spektralfluorometer benutzt· Eine Strahlungsquelle mit einem breiten spektralen Kontinuum, in der Regel eine Xenonlampe, wird auf den Eintrittsspalt eines Anregungsmonochromators abgebildet. Das am Austrittsspalt auftretende monochromatische Licht wird durch Linsen auf die Probe fokussiert, wobei die Anregung der Probe erfolgt und in deren Folge die Lumineszenz entsteht. Das Lumineszenzlicht wird in der Regel unter rechtem Winkel zum anregenden Licht über weitere Linsen auf den Eintrittsspalt des Emissionsmonochromators fokussiert, hinter deren Austrittsspalt ein Fotodetektor angeordnet ist. Ferner sind auch Anordnungen bekannt, bei der ein Np-Laser einen Farbstofflaser pumpt. Der Laserstrahl des Farbstofflasers kann die Probe direkt anregen. Es besteht auch die Möglichkeit der Frequenzverdopplung durch Zwischenschaltung von KDP-Kristallen.

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Das Lumineszenzlicht von der Probe wird dann in gleicher Weise unter rechtem Winkel zum anregenden Licht Über weitere Linsen auf den Eintrittespalt des Emissionsmonochromators fokussiert, hinter deren Austrittsspalt ein Fotodetektor angeordnet ist. Die Messung stark absorbierender Proben ist mit diesen Anordnungen nicht möglich, da die Anregung der Probe und die Messung der Lumineszenz von derselben Seite erfolgen muß. Derartige Messungen werden als Messung im Auflicht bezeichnet.

Die beschriebenen Anordnungen gestatten ferner nicht die zeitlich korrelierte Anregung mit Licht von zwei unterschiedlichen Lichtquellen und unterschiedlichen Wellenlängen. Die simultane Messung der Absorption der Probe ist ebenfalls nicht möglich.

So ist es bisher generell nicht möglich,. Lumineszenz- und Absorptionsspektroskopie für stufenweise Anregungsprozesse durchzuführen. Dies ist jedoch für den Analytiker außerordentlich wichtig, da er vielfältige qualitative und quantitative Informationen über die untersuchten Stoffe erhält und bei einer Reihe von Stoffen fluoreszierende Niveaus anregen kann, die von dem Grundzustand nicht erreicht werden. Dies ermöglicht die fluoreszenzapektroskopische Untersuchung einer Vielzahl neuer Stoffe.

Ziel der Erfindung ist es, Lumineszenz ohne aufwendige Veränderungen im Meßaufbau mit hoher Empfindlichkeit zu messen, wobei die Möglichkeit einer stufenweisen, zeitlich korrelierten Anregung der Probe, die simultane Messung der Absorption und die Messung des Lumineszenzlichtes im Auflicht und unter rechtem Winkel besteht.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Spektralfluorometer anregungsseitig so zu gestalten, daß der Probe mehrere. Laserstrahlen überlagert werden können, die zeitlich korreliert und aus verschiedenen Richtungen die Probe anregen.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Spektralfluorometer mit einer Laserlichtquelle und einem von dieser gepumpten durchstimmbaren Farbstofflaser mit Spiegeln oder Sammellinsen zur Fokussierung der Laserstrahlen auf die Probe und einem Emissionsmonochromators oder -spektrographen dadurch erreicht, daß zwischen der Laserlichtquelle und dem durchstimmbaren Farbstofflaser ein Strahlteiler angeordnet ist, wobei in beiden Strahlengängen eine oder mehrere Sammellinsen sowie Graukeile angeordnet sind, und daß für beide Strahlengänge in Richtung zur Probe Strahlenvereiniger zur Positionierung beider Laserstrahlen in gleicher Lage im anzuregenden Bereich der Probe angeordnet sind.

Der Strahlteiler ist vorteilhaft aus einem Rhomboid-Prisma, einem rechtwinkligen Prisma und einer für den Laserstrahl teilweise reflektierenden Beschichtung so zusammengefügt, daß der an der teilweise reflektierenden Beschichtung reflektierte Strahl im Rhomboid-Prisma zum eintretenden Strahl parallelversetzt wird und der hindurchtretende Strahl keine Parallelverschiebung erfährt. Der Strahlenvereiniger bringt den Laserstrahl des Farbstofflasers und den vom Strahlenteiler ausgesonderten Anteil des kurzwelligen Lasers im anzuregenden Bereich der Probe zur Überlagerung. Er kann aus einem Rhomboid-Prisma, einem rechtwinkligen Prisma und einer für die eine Laserstrahlung reflektierenden und für die andere Laserstrahlung durchlassenden Beschichtung derartig zusammengesetzt sein, daß die eine Laserstrahlung durch eine Fläche des Rhomboids reflektiert und durch das Rhomboid und das rechtwinklige Prisma auf den anzuregenden Bereich

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der Probe gelenkt wird und die andere laserstrahlung durch die Beschichtung zwischen der zweiten Rhombοidfläche und der Hypotenusenfläche des rechtwinkligen Prismas reflektiert und auf den anzuregenden Bereich der Probe gelenkt wird. Vorteilhaft ist auch ein Strahlenvereiniger einzusetzen, der nur aus einem.dem Rhomboidprisma ähnlichen und einem rechtwinkligen Prisma derart zusammengesetzt ist, daß zwischen der Hypotenusenfläche des rechtwinkligen Prismas und der Fläche eines dem Rhomboid-Prisma ähnlichen Prismas am Ort der Reflektion des Laserstrahls ein Luftspalt zwischen dem Rhomboid und dem rechtwinkligen Prisma erzeugt wird, aber sonst zwischen den beiden Flächen ein optisch dichter Kontakt besteht. Der andere Laserstrahl wird an der gegenüberliegenden Fläche des dem Rhomboid ähnlichen Prismas reflektiert. Soll die zeitliche Korrelation der Laserimpulsevom Bg-Laser ^{und vom} durchstirambaren Farbstofflasers geregelt werden können, so kann in einem der beiden Strahlengänge zwischen den Strahlteiler und dem Strahlenvereiniger eine regelbare optische Verzögerungsleitung angeordnet werden. Für viele Zwecke ist auch eine sehr kurzwellige Anregung der Probe erwünscht. Dies kann erreicht werden, wenn zwischen dem Farbstofflaser und dem Strahlenvereiniger.in den Strahlengang ein geeignetes Kristall zur optischen Frequenzverdopplung angeordnet wird. Das erfindungsgemäße Spektral fluorometer gestattet die empfindliche Messung der Lumineszenz und Absorption sowohl für einfache als auch für stufenweise Anregung. Die zeitliche Korrelation ist beliebig einstellbar. Die Messung der Lumineszenz ist sowohl im Auflicht als auch unter rechtem Winkel möglich, so daß auch Fluoreszenzdepolarisation meßbar ist. Die erforderlichen mechanischen Veränderungen für die Meßanordnung sind einfach zu handhaben.

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Die Erfindung soll nachstehend an einen Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1. die schematische Darstellung des erfindungsgemäßes Spektralfluorometers in einer Seitenansicht.

Figur 2 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektralfluorometers in einer Draufsicht.

Figur 3 eine Ausführungsform eines Strahlenvereinigers der vorteilhaft für das erfindungsgemäße Spektralfluorometer zum Einsatz kommt.

In Figur 1 wird ausgehend von einem N^-Laser 1 im Strahlteiler 22 an der teilweise reflektierenden Beschichtung 15 (Fig. 2) ein Anteil von ca. 10 % aus dem Strahlengang ausgelenkt. Die restliche Laserstrahlung pumpt einen in der Wellenlänge durchstimmbaren Farbstofflaser 2. Die im Farbstofflaser erzeugte Strahlung wird über die Sammellinse 3 zur Fokussierung der Laserstrahlung auf die Probe 4i den draukeil 12 und den Umlenkspiegeln und 6, die den Laserstrahl parallel versetzen, auf den Objektpunkt 25 in der Probe 4 gerichtet. Dabei durchläuft die Laserstrahlung eine öffnung in der Mitte des Konkavgitters 7 eines Emissionsmonochromators und die Blende 8 für das Lumineszenzlicht. Die in der Probe 4 erzeugte Lumineszenz wird in entgegengesetzter Richtung zur Anregung gemessen. Dabei durchläuft das Lumineszenzlicht die Blende 8 und trifft auf ein holographisches Konkavgitter 7. Die Blende 8 und das Konkavgitter 7 gestatten ein öffnungsverhältnis zum Nachweis der Lumineszenz von 1/3· Je nach Stellung des Gitters 7 wird Lumineszenzlicht einer bestimmten Wellenlänge über den Umlenkspiegel 11 auf den Austrittsspalt 9 fokussiert. Die Position des Objektpunktes des Konkavgittere 7 und

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des Austrittsspaltes 9 ist derart, daß durch Drehung des Konkavgitters 7 die gewünschte Wellenlänge am Austrittsspalt 9 erscheint, wobei über einen möglichst großen Spektralbereich am Austrittespalt 9 der Astigmatismus klein und die spektrale Auflösung groß ist. Hinter dem Auetrittsspalt 9 befindet sich der Fotodetektor 10. Die Figur 2 zeigt dasselbe Fluorometer in einer Ansicht von oben. Der im Strahlenteiler 22 an die Beschichtung 15 reflektierte Anteil der Strahlung vom Ng-Laser wird über die Spiegelfläche 26 des Strahlteilers 22, über die Sammellinse 5, über den Graukeil 13, die Spiegelfläche 27 des Strahlenvereinigers und den Umlenkspiegel 6 auf die Probe gelenkt. Der Spiegel 17 für die Strahlung des Farbstofflasers ist für die Strahlung des N₂-LaserB durchlässig. Nach dem Spiegel 17 besitzt der Ng-Laserstrahl und der Farbstofflaß erstrahl die gleiche Lage. Der Strahlenvereiniger 23 kann aus dem Strahlengang entfernt werden, wie es in Figur 2 dargestellt ist. In diesem Fall trifft die Farbstoff lasterstrahlung auf den Spiegel 19 und wird unter rechten Winkel auf den Objektpunkt 25 in der Probe gelenkt. Der Spiegel 19 des Strahlenvereinigers 24 reflektiert nur für den Wellenlängenbereich des Farbstofflasers 2 und ist für die Strahlung des N₂-Laserβ durchlässig. Der N₂-Laserstrahl trifft auf die Spiegelfläche 28 und wird unterrechten Winkel auf den Objektpunkt 25 gelenkt. Nach dem Spiegel 19 besitzen beide Laserstrahlen die gleiche Lage. Die Anregung erfolgt nun unter rechtem Winkel zur Heßrichtung des Lumineszenzlichtee. Da der N₂-Laser ein Impulslaser ist, kann durch Anordnung einer optischen Verzögerungsleitung in einem der beiden Laserstrahlgängen die zeltliche Lage beider Laserimpulse zueinander verändert werden. Ebenso kann durch Einbringung eines KDP-Kristalls in den Strahlengang hinter dem Farbstofflaser wahlweise eine Frequenzverdoppelung erfolgen. Zur Messung der Absorption in der Probe ist hinter der Probe 4 eine Sammellinse 20 und in deren Fokus der Betektor 21 angeordnet.

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In Figur 3 ist ein Strahlenvereiniger dargestellt, der die aufwendige Beschichtung für die Spiegel 1? und 19 nicht benötigt. Der Strahlenvereiniger ist aus einem rechtwinkligen Prisma 36 und einem dem Rhomboid ähnlichen Prisma 37 zusammengesetzt. Hierbei sind die gegenüberliegenden Seiten 33 und 34 nicht mehr parallel sondern sind in ihrer Neigung so verändert, daß sich die reflektierten Laserstrahlen in dem Objektpunkt 25 in der Probe 4 schneiden. Die Reflexion an der Fläche 33 erfolgt dabei in dem Gebiet, wo zwischen dem rechtwinkligen Prisma und dem Rhomboid ähnlichen Prisma ein Luftspalt 35 ist.

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Claims

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Patentanspruoh:
Spektralfluorometer mit einer Laserlichtquelle und einem von dieser gepumpten durchstimmbar«!* Farbetofflaser mit Spiegeln oder Sammellinsen zur Fokussierung der Laserstrahlen auf die Probe und einem Emissionsmonochromator oder -spektrographen, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Laserlichtquelle (1) und dem durchstimmbaren Farbstofflaser (2) ein Strahlteiler (22) angeordnet ist, wobei in beiden Strahlengängen eine oder mehrere Sammellinsen (35) sowie Graukeile (12, 13) angeordnet sind, und daß für beide Strahlengänge in Richtung zur Probe (
4) Strahlenvereiniger (23, 24) zur Positionierung beider Laserstrahlen in gleicher Lage im anzuregenden Bereich der Probe (4) angeordnet sind.

Spektralfluorometer nach Anspruoh. 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlteiler aus einem Rhomboid-Frisma (14) einem rechtwinkligen Prisma (29) und einer für den Laserstrahl teilweise reflektierenden Beschichtung (15) zusammengefügt ist.

Spektralflurometer nach Anspruoh 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlenvereiniger aus einem Rhomboid-Prisma (16, 18), einem rechtwinkligen Prisma (30» 31) und einer die Laserstrahlung der einen Laserlichtquelle reflektierenden und die Laserstrahlung der anderen Laserlichtquelle durchlassenden Beschichtung (17, 19) zusammengesetzt ist.

Spektralfluorometer nach Anspruoh 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlenvereiniger aus einem rechtwinkligen Prisma (36) und einem dem Rhomboid ähnlichen Prisma (37) mit den nichtparallelen Seiten (33) und(34) so aufgebaut ist, daß zwischen der Hypotenusenfläche des recht-

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winkligen Prismas (36) und der Fläche des dem Rhomboid ähnlichen Prismas (37) am Ort der Reflexion des Laserstrahles ein Luftspalt (35) ausgebildet ist, wobei außerhalb des Luftspaltes ein optisch dichter Kontakt zwischen diesen beiden Flächen besteht.
5. Spektralfluorometer nach Anspruch. 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß in einem der beiden Strahlengänge nach dem Strahlteiler (22) und vor dem Strahlenvereiniger (23, 24) eine regelbare optische Verzögerungsleitung angeordnet ist.
6. Spektralfluorometer nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß nach dem durchstimmbaren Farbstoff laser (2) und vor dem Strahlenvereiniger (23, 24) wahlweise in den Strahlengang ein Kristall zur optischen Frequenzverdoppelung angeordnet ist.

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